Ein hackbares Multi

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12294 (2022) Diesen Artikel zitieren

5412 Zugriffe

5 Zitate

75 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Der dreidimensionale (3D-)Druck hat sich zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Material-, Lebensmittel- und Biowissenschaftsforschung und -entwicklung entwickelt, wo die Demokratisierung der Technologie die Weiterentwicklung von Open-Source-Plattformen erfordert. Hierin haben wir einen hackbaren, multifunktionalen und modularen Extrusions-3D-Drucker für weiche Materialien mit dem Spitznamen Printer.HM entwickelt. Auf der Basis eines Roboterarms werden Multi-Druckkopfmodule für die Erstellung heterogener Konstrukte eingerichtet, wobei die Tintendruckbarkeit durch Zubehör wie Heiz- und UV-Module angepasst werden kann. Die mit Printer.HM verbundene Software wurde entwickelt, um Geometrieeingaben einschließlich computergestützter Entwurfsmodelle, Koordinaten, Gleichungen und Bilder zu akzeptieren und Ausdrucke mit unterschiedlichen Eigenschaften zu erstellen. Printer.HM könnte darüber hinaus vielseitige Vorgänge durchführen, wie z. B. Flüssigkeitsabgabe, nicht-planares Drucken und Pick-and-Place von Meso-Objekten. Durch „Mix-and-Match“-Software- und Hardwareeinstellungen demonstrierte Printer.HM das Drucken von pH-responsiven Soft-Aktuatoren, funktionellen Hydrogelen auf pflanzlicher Basis und makroanatomischen Organmodellen. Durch die Integration von Erschwinglichkeit und offenem Design soll Printer.HM den 3D-Druck für weiche, biologische und nachhaltige Materialarchitekturen demokratisieren.

Das Aufkommen des 3D-Drucks bietet potenzielle Freiheiten für die schnelle Herstellung willkürlich gestalteter Materie aus einer Vielzahl und Kombination von weichen und funktionellen Materialien und revolutioniert damit verschiedene Forschungsbereiche, von der Lebensmittel- bis zur Gewebetechnik bis hin zur Soft-Elektronik und Robotik1,2,3,4,5 ,6. Unter den verschiedenen 3D-Druckmodalitäten für weiche Materialien ist der extrusionsbasierte Druck aufgrund seiner breiten Materialkompatibilität, seines geringen Materialverbrauchs, seines geringen Abfalls und seiner Fähigkeit, die Konstruktionseigenschaften räumlich zu steuern, wohl die am weitesten verbreitete Modalität2,3,7,8,9 , wie Zusammensetzung10, photonische Eigenschaften11, Ausrichtung der eingekapselten Fasern12,13 und ferromagnetische Eigenschaften14. Laufende Innovationen im Extrusions-3D-Druck müssen jedoch die Kostenbarriere und die begrenzte Anpassungsfähigkeit bestehender kommerzieller Systeme überwinden. Obwohl über mehrere maßgeschneiderte Open-Source-Extrusions-3D-Drucker berichtet wurde15,16,17,18,19, waren die druckbaren Materialien und Architekturen durch einen unvollständigen Satz an Hilfswerkzeugen und Druckpfadoptionen eingeschränkt (wie in den Ergänzungstabellen I und zusammengefasst). Ergänzende Abbildung 1). Um den multifunktionalen Extrusionsdruck zu demokratisieren, berichten wir über die Entwicklung eines Multi-Druckkopfs und eines hochgradig anpassbaren extrusionsbasierten 3D-Druckers für weiche Materialien. Wir nennen den Drucker hier „Printer.HM“, wobei HM für „Hackable and Multi-Functional“ steht. Printer.HM kann zusätzlich zur herkömmlichen CAD-G-Code-Eingabe (Computer Aided Design) problemlos verschiedene Geometrieeingaben wie Koordinaten, Gleichungen und Bilder akzeptieren. Die Gesamtkosten für die Einrichtung einer Printer.HM-Version liegen zwischen 900 und 1900 £ (die Installation dauert zwischen 2 und 4 Stunden, ohne die Druckzeit der Teile), abhängig von der Anzahl der ausgestatteten Versorgungsunternehmen. Printer.HM bietet eine hervorragende Druckkompatibilität mit einer Vielzahl flüssiger und weicher Materialien (von mPa·s bis kPa·s); und es können unzählige Vorgänge durchgeführt werden, darunter Flüssigkeitsabgabe, Drucken mit mehreren Materialien, Drucken mit variabler Geschwindigkeit, nicht-planares Drucken und Pick-and-Place-Anwendung. Aufgrund des modularen Aufbaus von „Printer.HM“ und der Verwendung eines Roboterarms als Bewegungssteuerung können Benutzer das Setup einfach zusammenbauen, neu konfigurieren und seine Funktionalitäten erweitern, basierend auf den experimentellen Anforderungen des Einzelnen. Insgesamt gehen wir davon aus, dass Printer.HM hackbar, erweiterbar und erschwinglich ist und die weitreichende Anpassungsfähigkeit der Extrusions-3D-Drucktechnologie fördern und offene Innovationen in den Forschungsgemeinschaften erleichtern kann, die weiche, biologische und nachhaltige Materialien verwenden.

Abbildung 1 hebt die Hauptmerkmale von „Printer.HM“ hervor, einem extrusionsbasierten 3D-Drucker als erschwingliche und hackbare Alternative zu kommerziellen Biodruckern (siehe Ergänzungstabelle 2 für einen Vergleich ihrer Spezifikationen). Das System ist auf einem hackbaren Roboterarm aufgebaut (siehe ergänzende Abbildung 2 für einen realen Aufbau), der nicht auf die Umnutzung eines vorhandenen Fused Deposition Modeling-Druckers angewiesen ist, da seine proprietäre Firmware seine Anpassbarkeit und die Anzahl der Dienstprogramme möglicherweise immer noch einschränkt (z. B. Druckköpfe und UV-Modul), die in das System eingebaut werden können18,20. Der Kernteil des Druckers ist in einem Gehäuse untergebracht und auf einem Aluminium-Steckbrett aufgebaut, um die Neukonfiguration verschiedener Module zu erleichtern. Er besteht aus Ausgabemodulen (dh vier speziell angefertigten kolbengetriebenen Druckköpfen); und eine Bühne, deren Bewegungssteuerung durch den Roboterarm erfolgt. Die Verwendung einer beweglichen Bauplatte, die hier von einem Roboterarm gesteuert wird, anstelle eines Satzes von 3-Achsen-Gantry-Lineartischen bietet Vorteile hinsichtlich Kompaktheit und einfacher Montage. Das geschätzte Bauvolumen von Printer.HM beträgt ~ 490 cm3, begrenzt durch die maximale Nutzlastkapazität des Roboterarms.

Merkmale von Printer.HM, das aus mehreren Hilfswerkzeugen als Hardware und flexiblen Geometrieeingaben als Software besteht, was zu Multifunktionalitäten auf einer Plattform führt.

Da die Druckkompetenz weicher Materialien entscheidend von der Rheologie und Vernetzung der Tinten abhängt3, ist „Printer.HM“ mit zusätzlichen Hilfswerkzeugen ausgestattet, darunter einer Spritzenheizung, einer Tischheizung und einem UV-Modul zur Unterstützung des Drucks von Hydrogelen (Ergänzende Abbildung 2). Die Heizgeräte sind in der Lage, die Temperaturen des Tisches und der Spritze von Raumtemperatur bis ~ 60 °C zu steuern, was für die meisten Arten von Hydrogelen und Elastomermaterialien ausreichend ist. Verschiedene Tische wurden speziell für unterschiedliche Größen von Aufnahmesubstraten oder Reservoirs entwickelt, darunter Standard-Glasobjektträger, Petrischalen (90, 55 und 35 mm) und rechteckige Behälter (40 und 30 mm) (ergänzende Abbildung 2b). Die Druckköpfe von „Printer.HM“ wurden aus einfachen mechanischen Komponenten wie Leitspindel, Mikroschrittmotoren mit einer Dosierauflösung von 0,8 µm pro Schritt (siehe Ergänzende Anmerkung V) und linearen Schienen für erhöhte Stabilität und Kompaktheit gebaut. Die Spritzenhalter der Druckköpfe wurden 3D-gedruckt und ermöglichten so eine individuelle Anpassung an verschiedene Größen von Dosiergeräten, die speziell auf die Experimente der Benutzer zugeschnitten sind. Als Proof-of-Concept haben wir die Druckköpfe so angepasst, dass sie 3-ml- oder 1-ml-Spritzen aufnehmen können, die mit den meisten Laboranwendungen kompatibel sind.

Die Möglichkeit, den Druckpfad frei anpassen zu können, ist wichtig, da er die Eigenschaften der gedruckten Konstrukte direkt steuert, wie z. B. ihre mechanischen Eigenschaften21, das auf Reize reagierende Morphing-Verhalten12,22 und die Zellorientierung in den Konstrukten23. Kommerzielle und bestehende maßgeschneiderte extrusionsbasierte Drucker verwenden im Allgemeinen CAD-Modelle/G-Code als einzige Option zur Beschreibung von Druckdesigns1,3,7 (Ergänzungstabellen 1 und 2). Der Mangel an Geometrieeingabeoptionen, die in diesen Systemen angeboten werden, könnte die Designfreiheit und die Anpassbarkeit des Druckpfads insbesondere für Aktuatorstrukturen einschränken24. Daher wurde Printer.HM so konzipiert, dass es vier verschiedene Geometrieeingaben akzeptiert, um Ausdrucke mit unterschiedlichen Eigenschaften zu erstellen. Es handelt sich um Koordinaten, Gleichungen, G-Codes und Bilder.

Insgesamt ermöglicht der modulare Aufbau von „Printer.HM“ Benutzern, den Aufbau basierend auf ihren experimentellen Anforderungen und Ressourcenbeschränkungen neu zu konfigurieren, und ermutigt die Forschungsgemeinschaft, die Funktionalitäten des Systems durch die Entwicklung neuer Module zu erweitern. Als Proof-of-Concept wurden hier vier Druckköpfe gebaut. Die Gesamtkosten für dieses voll ausgestattete System mit vier Druckköpfen belaufen sich auf ca. 1.900 £, während ein System mit einem einzelnen Druckkopf ca. 900 £ kostet. Dies bietet erhebliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu kommerziellen Biodruckern3. Die Installationszeit von „Printer.HM“ beträgt etwa 2–4 Stunden, ohne die Zeit, die für 3D-Druckteile benötigt wird. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Druckerbaugruppe finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung III, um die Reproduzierbarkeit des Systems zu fördern.

Im Vergleich zu den vorhandenen Open-Source-Druckern verbessert der breitere Satz an Hilfswerkzeugen, die mit „Printer.HM“ verbunden sind, seine Fähigkeit, verschiedene Material- und Geometriekombinationen zu konstruieren, erheblich (siehe ergänzende Abbildung 1 und ergänzende Tabelle 1). Beispielsweise wurde Printer.HM zum Extrusionsdrucken weicher Materialien verwendet, die unterschiedliche Gelierungsmechanismen erfordern, einschließlich thermisch induzierter Gelierung und fotoinduzierter Vernetzung, wie in Abb. 2a dargestellt. Auf Wärme reagierende Hydrogele organisieren sich selbst und durchlaufen Phasenübergänge bei ihren kritischen Temperaturen, die durch die untere kritische Lösungstemperatur (LCST) oder die obere kritische Lösungstemperatur (UCST)25,26 definiert sind. UCST-Hydrogele, einschließlich Gelatine und Agarose, unterliegen beim Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb ihres UCST27,28 einer Gelbildung. Im Gegensatz dazu kommt es zur Gelierung von LCST-Hydrogelen (z. B. Pluronic F127), wenn die Temperatur über ihren LCST28-Wert erhöht wird. Bei Printer.HM unterstützt die Spritzenheizung das Drucken von UCST-Hydrogelen (z. B. Gelatine), indem sie die Tinten während der Extrusion erhitzt, während die Bühnenheizung dazu beiträgt, die gedruckte Form von LCST-Hydrogelen zu bewahren, indem sie deren Rheologie bei erhöhter Temperatur an der gebauten Platte verbessert. Das UV-Modul ermöglicht die In-situ-Vernetzung von fotopolymerisierbaren Hydrogelen (z. B. Methacrylat-Hydroxypropylcellulose29) während des Druckens. Darüber hinaus ist der Drucker, wie in Abb. 2b dargestellt, in der Lage, eine Vielzahl von Biomaterialien zu drucken, darunter Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA, eine Tinte mit niedriger Viskosität und einer Viskosität von 20 mPa s30), Kollagen und Silikonelastomer (siehe Ergänzung). Abb. 8) zu einer hochviskosen Lösung von Natriumcarboxylmethylcellulose (1500 Pa s).

(a) Abbildung, die die Verwendung verschiedener Hilfswerkzeuge zur Unterstützung des Drucks von LCST-Hydrogelen (z. B. Pluronic F127), UCST-Hydrogelen (z. B. Gelatine) und photopolymerisierbaren Hydrogelen (z. B. Methacrylat-Hydroxypropylcellulose) zeigt. (b) Mit dem Setup kann eine Vielzahl von Materialien über einen großen Viskositätsbereich gedruckt werden. (c) Verteilung der Linienbreite der gedruckten Pluronic F127-Filamente, hergestellt mit einer 34G-Nadel, einem Extrusionsfluss von 825 μL/h und einer Tischgeschwindigkeit von 5 mm/s. Mittlere Linienbreite = ~ 150 μm. (n = 120 Messungen über 4 unabhängige Proben). (d) Abbildung zum Vergleich der theoretischen Linienbreite und der gemessenen Linienbreite (n ≥ 20), die bei Verwendung unterschiedlicher Druckparameter (z. B. Tischgeschwindigkeit, Extrusionsfluss und Nadelgröße) erhalten wurden. Die Experimente wurden mit Pluronic F127 im Überextrusionszustand durchgeführt, wobei die theoretische Linienbreite, die sich aus der Druckeinstellung ergibt, größer ist als die Nadelgröße. Die Abweichung der Punkte von der Identitätslinie (y = x, dargestellt als schwarze Linie) gibt die Diskrepanz zwischen der gemessenen und der theoretischen Linienbreite an. Maßstabsbalken in (a) und (b) = 5 mm. Maßstabsbalken in (c) = 500 µm.

Wir demonstrieren die Druckauflösung von „Printer.HM“ weiter, indem wir ein Linienmuster mit Pluronic F127 drucken. Der Test wurde mit Pluronic F127 durchgeführt, wie es in der Literatur häufig verwendet wird. Unter Verwendung einer nicht optimierten Einstellung der Betriebsparameter betrug die mit „Printer.HM“ erzielte mittlere Pluronic F127-Funktion etwa ~ 150 µm (Abb. 2c), was mit der Auflösung vergleichbar ist, die typischerweise beim extrusionsbasierten Bioprinting erreicht wird7,31. Allerdings ist zu beachten, dass die Auflösung der gedruckten Merkmale überwiegend von den Tinteneigenschaften bestimmt wird. Um die Leistung von Printer.HM weiter zu bewerten, haben wir die Linienbreiten des Filaments gemessen, die sich aus unterschiedlichen Einstellungen für Extrusionsdurchflussrate (\(Q\)) und Stufengeschwindigkeit (\(v_{stage}\)) ergeben, und die gemessene Linie verglichen Breite mit der theoretischen Linienbreite (~ \(\sqrt {\frac{4Q}{{\pi \cdot v_{stage} }}}\), siehe Ergänzende Anmerkung VII für weitere Informationen). Wie in Abb. 2d gezeigt, wird ein Wert von r2 nahe 1 gefunden, was auf eine gute Übereinstimmung zwischen der gemessenen und der theoretischen Linienbreite hinweist und somit auf eine zufriedenstellende Leistung von Printer.HM hinweist.

Abbildung 3 veranschaulicht die große Vielfalt an Konstrukten, die unter Verwendung unterschiedlicher Geometrieeingaben hergestellt werden, wobei jedes seine eigenen Stärken je nach Architekturanforderung aufweist. Koordinaten sind die gewöhnlichste Form der Geometrieeingaben und eignen sich besonders zum Erstellen einfacher linearer oder regelmäßiger Muster, z. B. eindimensionaler Kanäle (Abb. 3a, Zusatzvideo 1). Mittlerweile ermöglicht die Gleichungseingabe die Erstellung nahtloser kurviger Muster in einem Strich, ist jedoch nicht für komplexe Muster geeignet, die nicht durch Gleichungen beschreibbar sind (Abb. 3b, Zusatzvideo 2). Abbildung 3b zeigt, dass einfache röhrenförmige Konstrukte problemlos über eine Kreisgleichung hergestellt werden können, ohne dass CAD-Dateien vorbereitet werden müssen. Andererseits können dreidimensionale komplexe Objekte gut durch 3D-CAD-Modelle beschrieben werden, dem Standardgeometrieformat, das im 3D-Druck verwendet wird (Abb. 3c, Zusatzvideo 3). Schließlich ermöglicht die Bildeingabe die Erstellung individueller Motive über Fotos von handgezeichneten Mustern oder Bilder, die mit einer beliebigen Zeichensoftware erstellt wurden. Durch Nutzung der Bildeingabeoption können vom Benutzer entworfene Muster, beispielsweise kreis- und gefäßähnliche Muster, problemlos hergestellt werden (Abb. 3d.i–d.ii).

Vielseitige Geometrieeingabeoptionen ermöglichen die Erstellung von Drucken mit unterschiedlichen Eigenschaften über (a) Koordinaten, (b) Gleichungen, (c) CAD-Modelle, die dann in G-Code übersetzt wurden, und (d) Bildgeometrien. Die hier verwendeten Materialien finden Sie in den Materialien und Methoden sowie in der Ergänzungstabelle 6. Maßstabsbalken = 5 mm.

Um die Vorteile der Anpassbarkeit des Druckpfads, insbesondere für Soft-Robotik-Anwendungen, weiter zu veranschaulichen, haben wir die Schaffung eines Soft-Morphing-Systems aus einem pH-responsiven Hydrogel durch Nutzung eines anisotropen Druckpfads demonstriert. Wie in Abb. 3d.iii und Zusatzvideo 4 gezeigt, zeigte das mit einem heterogenen Druckpfad erstellte 2D-Konstrukt eine anisotrope Schwellungsreaktion und verwandelte sich in eine Blütenform. Es ist erwähnenswert, dass die Bedienflexibilität nicht auf die vier hier bereitgestellten Geometrieeingaben beschränkt ist. Da das Steuerungsprogramm vollständig hackbar ist, können Benutzer das Programm frei für beispiellose Designs ändern.

Dank des anpassbaren Steuerungsprogramms sind die Vorgänge mit „Printer.HM“ vom Benutzer anpassbar und multifunktional. Wir zeigen, dass mit „Printer.HM“ Vorgänge wie automatisiertes Spenden, Drucken mit variabler Geschwindigkeit und nicht-planares Drucken durchgeführt werden können. Beispielsweise spielt Liquid Handling in Life-Science-Experimenten immer eine unverzichtbare Rolle. So haben wir „Printer.HM“ durch eine Änderung des Steuerprogramms in einen Spender verwandelt. Abbildung 4a und Zusatzvideo 5 zeigen, dass Tröpfchen der Zellsuspension automatisch auf eine Petrischale verteilt wurden. Das abgegebene Volumen der Tröpfchen ist durch die Extrusionsdurchflussrate und die Abgabedauer steuerbar. Durch einfache Einstellung der unterschiedlichen Dauer der Abgabezeit wurden Tröpfchen unterschiedlicher Größe erhalten. Diese Funktion könnte nützlich sein, um die Methode des hängenden Tropfens zur Herstellung von Zellsphäroiden und zur Abgabe von Wirkstoffen innerhalb eines gedruckten Objekts zu automatisieren.

Vielseitige Funktionalitäten von Printer.HM. (a) Automatisierte Abgabe der Zellsuspension auf einer Petrischale bei (ai) konstanten Tröpfchenvolumina und (a.ii) variablen Tröpfchenvolumina. Der schwarze Pfeil in (a.ii) zeigt die Richtung des Abgabewegs an, und die weißen Pfeile zeigen die kontrollierbare Variation der Tröpfchengröße von kleinem zu großem Volumen. (b) Eine Spiralkurve aus Pluronic F127, gedruckt mit variabler Geschwindigkeit. (c) Nichtplanares Drucken eines Pluronic F127-Linienmusters auf einem 3D-Nasenmodell. Maßstabsbalken = 5 mm.

Merkmale mit kontinuierlich schmaler werdender Breite können leicht mit variabler Geschwindigkeit der Bühne erzeugt werden, wie in Abb. 4b gezeigt, was bei der Schaffung eines hierarchischen Gefäßnetzwerks hilfreich sein kann. Darüber hinaus demonstrieren wir die Fähigkeit, mit der Plattform nichtplanares Drucken durchzuführen. Im Gegensatz zu herkömmlichen kommerziellen 3D-Druckern, die auf Ebene-für-Ebene-Schneiden basieren, muss die Tinte beim nichtplanaren Drucken auf eine Freiformoberfläche gedruckt werden, indem der Bewegungsteil des Druckers gleichzeitig in allen drei Achsen bewegt wird. Abbildung 4c und Zusatzvideo 6 zeigen, dass ein Linienmuster auf ein 3D-Zielnasenmodell gedruckt wurde. Die 3D-Oberfläche des Zielobjekts wurde mit einem 3D-Scanner bewertet und das Linienmuster entsprechend der nichtplanaren Geometrie unter Verwendung eines benutzerdefinierten Codes projiziert (weitere Beschreibung unter Materialien und Methoden). Mit der Möglichkeit, Tinten direkt auf variable Objektoberflächen aufzutragen, könnten neuartige Anwendungen der 3D-Extrusionsdrucktechnologie möglich werden, beispielsweise das Aufbringen von Freiformschaltkreisen32 und Funktionsmaterialien. Abschließend demonstrieren wir in Abb. 5a und im Zusatzvideo 7 das düsenbasierte „Pick-and-Place“ von Mesoobjekten. Ein solcher Vorgang ermöglicht Anwendungen zur Lokalisierung von Zellsphäroiden zwischen verschiedenen Umgebungen.

(a) Automatischer Pick-and-Place-Vorgang, der (i) die Aufnahme, (ii) Übertragung und (iii) Platzierung der gedruckten Objekte in den Ziel-Mikrovertiefungen zeigt. Die gedruckten Objekte, die aus 6 Gew./Vol.-% Gelatine und 1 Gew./Vol.-% Alginat bestanden, wurden mit Natriumfluorescein gefärbt und zur Illustration der Objekte wurde eine UV-Berührung verwendet. (b) Luftdruck von (i) einer Pluronic F127-Tinte und (ii) mehreren Pluronic-Tinten, die mit unterschiedlichen Farben gebeizt sind. (c) Eingebetteter Druck einer Natriumhyaluronat-Tinte in einem Carbopol-Bad und (ii) mehrere mit verschiedenen Farben gefärbte Alginat-Tinten in einem Xanthangummi-Bad zur Bildung einer Lungenstruktur. Maßstabsbalken = 5 mm.

Die in „Printer.HM“ ausgestatteten Mehrfachdruckköpfe erleichtern die Herstellung von Multimaterialkonstrukten. Zur Veranschaulichung zeigt Abb. 5b.ii ein vierschichtiges Konstrukt bestehend aus Pluronic F127-Tinten, die mit unterschiedlichen Farbstoffen gefärbt sind, gedruckt in Luft, und ein Modell des Atmungssystems mit Lunge und Luftröhre aus Alginat-Tinten, gedruckt in einem Trägerbad (Abb . 5c.ii–c.iii). Diese Fähigkeit eröffnet zukünftiges Potenzial für die Erstellung anspruchsvoller Gewebeanatomien, die normalerweise aus mehreren Komponenten bestehen und räumlich heterogen sind.

Extrusions-3D-Druck ist ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Weichgewebekonstrukten und biomimetischen weichen Aktoren3,33. Kommerzielle Drucker sind jedoch in der Regel kostenintensiv, ermöglichen keine umfassende Anpassung und arbeiten mit einem relativ hohen Volumen, was möglicherweise nicht mit vielen biologischen Materialien, beispielsweise Materialien auf Proteinbasis, kompatibel ist. Diese Einschränkungen behindern die kontinuierliche Innovation der Technologie und ihre weitverbreitete Einführung insbesondere in ressourcenbeschränkten Gemeinschaften erheblich3. Um diese Einschränkungen zu beseitigen, präsentieren wir hier einen erschwinglichen und hochgradig anpassbaren Open-Source-Extrusions-3D-Drucker, Printer.HM, der mit mehreren Druckköpfen, Heizungen und einem UV-Modul für den Druck weicher Materialien ausgestattet ist. Der Drucker wurde aus einfachen mechanischen Komponenten und 3D-gedruckten Teilen gebaut, die leicht beschafft und hergestellt werden können. Als Bewegungssteuerung wurde ein Roboterarm eingesetzt, der die Vorteile von Kompaktheit und einfacher Montage bietet. Printer.HM bietet Erschwinglichkeit (£1900 für ein System mit vier Druckköpfen) und Kompatibilität mit kleineren Spritzengrößen, was bei kleinen biologischen Anwendungen wünschenswert ist. Bemerkenswert ist, dass die in „Printer.HM“ angebotenen unkonventionellen Geometrieeingabeoptionen die Herstellung von Drucken mit ausgeprägtem Design ermöglichen. Mithilfe der Bildgeometrieeingabe können Benutzer ohne CAD-Erfahrung den Druckpfad einfach anpassen, was besonders für die Steuerung des Morphing-Verhaltens von stimuliresponsiven Hydrogelen von Vorteil ist. Trotz der geringen Kosten und der maßgeschneiderten Natur des Systems bietet „Printer.HM“ eine gute Druckkompetenz mit einer Vielzahl weicher Materialien, von Hydrogelen bis hin zu Silikonelastomeren, über einen weiten Viskositätsbereich (20 mPa·s–1,5 kPa). S). Darüber hinaus ist das System in der Lage, eine Reihe unkonventioneller Aufgaben zu erfüllen, wie zum Beispiel das Drucken mit variabler Geschwindigkeit und nicht-planares Drucken.

Ungeachtet dessen sind in „Printer.HM“ einige Einschränkungen aufgeführt. Erstens könnte das Design eines beweglichen Bühnensystems, das in „Printer.HM“ verwendet wird, möglicherweise die Wiedergabetreue von Objekten mit niedriger Viskosität beeinträchtigen, die in der Luft gedruckt werden. Um die möglichen Auswirkungen zu verringern, kann beim Drucken empfindlicher Strukturen aus Materialien mit niedriger Viskosität eine sehr langsame Geschwindigkeit des Tisches verwendet werden. Zweitens umfasst „Printer.HM“ keine Kühlsysteme, die das Drucken proteinbasierter Tinten unterstützen, und keinen Tintenrückzugsmechanismus, der verhindert, dass Tinten unbeabsichtigt austreten. Für zukünftige Arbeiten wird ein Rückzugsmechanismus von Interesse sein, der durch Einstellen einer Rückwärtsdrehung des mechanisch angetriebenen Druckkopfmotors erreicht werden kann, um die Drucktreue weiter zu verbessern. Erwähnenswert ist auch, dass das Drucken weicher Materialien wie Hydrogele im Allgemeinen keine hohe Heiztemperatur (d. h. > 60 °C) erfordert und die Merkmalsauflösung beim extrusionsbasierten Drucken typischerweise > 100 μm7 beträgt. Obwohl Printer.HM eine geringere mechanische Auflösung und einen engeren Heizbereich als kommerzielle Systeme aufweist (siehe Ergänzungstabelle 2), wird daher eine zufriedenstellende Druckleistung erzielt. Darüber hinaus ermöglicht der modulare Aufbau des Systems eine einfache Umkonfiguration und Erweiterbarkeit des Systems. Benutzer können in der zukünftigen Entwicklung neue Funktionalitäten wie mikrofluidische Druckköpfe, Kühler usw. in „Printer.HM“ integrieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Arbeit einen erschwinglichen 3D-Extrusionsdrucker mit verbesserter Anpassbarkeit und All-in-One-Funktionalität geschaffen hat, der der Do-it-yourself-Forschungsgemeinschaft zugute kommt und möglicherweise die Entwicklung offener und innovativer Herstellungsstrategien in verschiedenen Bereichen, wie z. B. der Gewebetechnik, erleichtert , Soft-Robotik, Lebensmittel und umweltfreundliche Materialverarbeitung.

„Printer.HM“ ist ein Open-Source-Extrusions-3D-Drucker, der aus einem kommerziell erhältlichen Open-Source-Roboterarm (uArm Swift Pro Desktop Robotic Arm) und einem Ausgabemodul als Kernteil sowie Heizsystemen, einem UV-Modul und einem besteht Inspektionskamera als optionales Zubehör. Der Roboterarm steuerte die X-, Y- und Z-Achsenbewegung der 3D-gedruckten Bühne. Verschiedene Tische wurden speziell für unterschiedliche Größen von Aufnahmesubstraten oder Reservoirs entwickelt, darunter Standard-Glasobjektträger, Petrischalen (90, 55 und 35 mm) und rechteckige Behälter (40 und 30 mm) (ergänzende Abbildung 2b). Das Dosiermodul besteht aus selbstgebauten kolbengetriebenen Druckköpfen, die aus einfachen mechanischen Komponenten (z. B. Schrittmotor, Linearschiene und Kugellager) und individuell gestalteten 3D-Druckteilen gebaut wurden. Alle CAD-Dateien der 3D-gedruckten Teile von „Printer.HM“ sind zugänglich und in unserem Github-Repository verfügbar, sodass Benutzer die Teile bei Bedarf frei ändern können, um sie besser an ihre Anwendungen anzupassen. Die 3D-gedruckten Teile wurden mit Polymilchsäure (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) mit einem Ultimaker S3 3D-Drucker gedruckt. Als Proof-of-Concept wurden hier vier Druckköpfe gebaut, die für die Aufnahme von 1-ml- oder 3-ml-Spritzen ausgelegt sind. Benutzer können jedoch die Anzahl der Druckköpfe anpassen oder das Design des Spritzenhalters ändern, um andere Größen von Dosierwerkzeugen aufzunehmen entsprechend ihrem experimentellen Bedarf.

Die Tisch- und Spritzenheizsysteme in „Printer.HM“ bestehen aus einem maßgeschneiderten Aluminiumhalter, der mit Nichromdrähten (UMNICWIRE2, Ultimachine) als Heizelement umwickelt wurde, und einem K-Typ-Thermoelement (Z2-K-1M, Labfacility). ) als Temperatursensor. Hier kam eine UV-LED-Lichtquelle (5 W, 365 nm, NSUV365, Nightsearcher) zum Einsatz, die auf dem Aluminium-Steckbrett von „Printer.HM“ montiert wurde. Mittlerweile können Benutzer basierend auf der Wahl der Fotoinitiatoren unterschiedliche Lichtquellen auswählen. Auf dem Aluminium-Steckbrett wurde eine Inspektionskameraeinheit montiert, um den Druckprozess vor Ort zu überwachen und aufzuzeichnen. Das Dosiermodul und die Heizsysteme wurden an Arduino-Boards angeschlossen, während der Roboterarm über einen integrierten Arduino zur Steuerung verfügt. Die Montageanleitung des Druckers und des Stromkreises von „Printer.HM“ ist in der Ergänzenden Anmerkung III beschrieben.

Der Druckvorgang wurde durch ein speziell geschriebenes Python-Programm implementiert, das synchron mit den Arduino-Boards des Roboterarms und dem Ausgabemodul kommuniziert, während die Heizmodule unabhängig voneinander über grafische Benutzeroberflächen (GUI) gesteuert wurden, die mit den Arduino-Boards des Roboterarms kommunizieren Heizgeräte, bei denen der Benutzer das Programm frei an seine Bedürfnisse anpassen kann. Alle in dieser Studie verwendeten Betriebsprogramme sind auf Github verfügbar.

Vor dem Drucken wurde die Tinte 3 Minuten lang bei 1000 g zentrifugiert, um Blasen zu entfernen. Die Tinte wurde in eine 1-ml- oder 3-ml-Spritze aufgezogen und die Spritze in den Spritzenhalter des Aufbaus geladen. Ein Auffangbehälter, etwa eine Petrischale oder Glasobjektträger, wurde auf den 3D-gedruckten, maßgeschneiderten Tisch geladen. Für den Import verschiedener Arten von Geometrieeingaben – Koordinaten, Gleichungen, CAD-Modelle und Bildeingaben – wurden vier Python-Steuerungsprogramme geschrieben. Druckparameter wie Druckgeschwindigkeit, Versatzposition, Extrusionsdurchflussrate und anfängliche Z-Position sind vom Benutzer einstellbar und können im Steuerungsprogramm definiert werden. Standardmäßig wurden die Konstrukte in der Mitte des Sammelbehälters gedruckt, sofern keine Versatzposition definiert wurde.

Eine Liste von Koordinaten (x = [x1, x2, …, xn], y = [y1, y2, …, yn]) wurde direkt in das Programm geladen, wobei xn und yn die x- und y-Koordinaten des n-ten Punktes bezeichnen (siehe ergänzende Abbildung 10).

Ein Satz kartesischer oder parametrischer Gleichungen wurde zusammen mit dem definierten Bereich der unabhängigen Variablen in das Steuerprogramm eingegeben (siehe ergänzende Abbildung 11). Die Kurve wurde abhängig von der Länge der Kurve durch mindestens 100 gleichmäßig verteilte Punkte diskretisiert. Die in Abb. 3b gezeigten Konstrukte wurden unter Verwendung der Gleichungen Sinuswelle, Schmetterlingskurve und Kreis hergestellt. 3D-Merkmale wurden durch Drucken gestapelter Schichten der 2D-Kurve entsprechend den definierten Objekt- und Schichthöhen erzeugt.

3D-CAD-Modelle wurden entweder mit Autodesk Inventor entworfen oder von GradCAD (https://grabcad.com/library/software/stl) oder Thingiverse (www.thingiverse.com) heruntergeladen. Vor dem Druckvorgang wurde das CAD-Modell mit Slic3r (https://slic3r.org/) mit den benutzerdefinierten Slicing-Parametern (z. B. Füllmuster, Fülldichte, Extrusionsbreite und Schichthöhe) in eine G-Code-Datei konvertiert. . Die G-Code-Datei wurde dann in das Python-Steuerungsprogramm importiert (siehe ergänzende Abbildung 12).

Bilder des Druckentwurfs oder Fotos der handgezeichneten Skizzen wurden in Inkscape importiert. Sie wurden mit der Erweiterung „Gcodetools“ auf Inkscape (https://inkscape.org/), einer für CNC-Maschinen entwickelten Erweiterung, in G-Code konvertiert. Eine schrittweise Anleitung zur Konvertierung finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung IX. Der generierte G-Code wurde dann zur Bildeingabe in das Steuerprogramm importiert, das so geschrieben wurde, dass es den von dieser Erweiterung generierten G-Code akzeptiert (siehe ergänzende Abbildung 13).

Bei Bedarf wurden Spritzenheizung und Tischheizung eingesetzt. Sie wurden über eine individuell entwickelte grafische Benutzeroberfläche (GUI) gesteuert, über die Benutzer direkt die gewünschte Solltemperatur festlegen können. Die akzeptable Abweichung von der gewünschten Solltemperatur wurde hier auf ± 0,5 °C voreingestellt. Das Steuerprogramm für den Heizbetrieb ist auf Github verfügbar.

Ein 2D-Linienmuster zum Drucken wurde auf Inkscape entworfen und in eine G-Code-Datei konvertiert. Die 3D-Form des Zielobjekts (ein Nasenmodell aus Ecoflex, ergänzende Abbildung 8) wurde mit einem 3D-Scanner (EinScan H, SHINING 3D®) erfasst und als STL-Datei gespeichert. Um die Oberfläche des Zielobjekts zu analysieren, wurde die STL-Datei des Nasenmodells mit Slic3R mit den folgenden Slicing-Einstellungen (Füllmuster = „Hilbert-Kurve“, Extrusionsbreite = 0,2 mm, Fülldichte = 100) in eine G-Code-Datei umgewandelt % und Schichthöhe = 0,2 mm). Zur genauen Beschreibung des Zielobjekts wurden hier eine dichte Fülleinstellung und ein Hilbert-Kurven-Füllmuster verwendet. Die G-Codes des Zielobjekts (das Nasenmodell) und das Druckmuster (ein Linienmuster) wurden dann in ein benutzerdefiniertes Python-Programm zur Pfadplanung importiert. Im Programm wurde die Z-Position des Druckmusters entsprechend der Z-Position des Zielobjekts an ähnlichen x- und y-Positionen projiziert. Standardmäßig geht das Programm davon aus, dass das Muster um die Mitte des Zielobjekts gedruckt wird, bei Bedarf kann jedoch eine versetzte Position verwendet werden. Das Programm gibt eine Textdatei der projizierten Koordinatenanordnung aus, die dann in das für die Bildeingabe verwendete Steuerprogramm importiert wurde, um den Druck zu implementieren.

Die 3T3-Mausembryo-Fibroblastenzelllinie wurde in einem 25-cm2-Kolben kultiviert und unter Verwendung des Standardprotokolls passagiert. Die hier verwendeten Zellkulturmedien waren 10 v/v % fötales Rinderserum (F0804, Sigma) und 1 v/v % Penicillin-Streptomycin (P43333, Sigma) in DMEM (31885023, Life Technologies). Bei den Dosierungsexperimenten wurde eine Zellsuspension mit 2 × 106 Zellen/ml verwendet, wobei die Zellen mit Calcein AM (C3099, Fisher Scientific) in einer Arbeitskonzentration von 2 μM für die Färbung lebender Zellen gefärbt wurden. Um eine Sedimentation der Zellen zu verhindern, wurde die Zelltinte unmittelbar nach der Resuspension in eine 1-ml-Luer-Lok-Spritze aufgezogen und zur Abgabe in den Spritzenhalter des Druckers geladen. Das Steuerungsprogramm für den Schankbetrieb ist auf Github verfügbar.

Ergänzende Tabelle 6 fasst die Tinten und Trägerbäder zusammen, die zur Herstellung der in dieser Arbeit gezeigten Konstrukte verwendet wurden. Die hier verwendeten Tinten waren SE1700 (Dow), 30 Gew./Vol.-% und 40 Gew./Vol.-% Pluronic F127 (P2443, Sigma), eine vorvernetzte Alginattinte, eine vorvernetzte Hydroxylapatit-Alginattinte, 10 Gew./Vol.-% Carboxymethylcellulose-Natriumsalz (21902, Sigma), 10 % Gelatine (G1890, Sigma), 25 % Polyacrylsäure (450 kDa, 181285, Merck Life), Kollagen (50201, Ibidi), eine PEGDA-Lösung, 68 Gew.-% Methacrylathydroxypropylcellulose und 3 Gew./Vol.-% Natriumhyaluronat (251770250, Fisher Scientific). Einige der Tinten wurden mit Natriumfluorescein (46960, Sigma) oder Rhodamin B (A13572.18, Alfa Aesar) gefärbt. Sofern nicht anders angegeben, wurden die Tinten durch Auflösen der gewünschten Konzentration des chemischen Pulvers in entionisiertem Wasser hergestellt. Die Methacrylat-Hydroxypropylcellulose-Tinte wurde nach der in unserer vorherigen Studie29 beschriebenen Methode hergestellt. Die SE1700-Tinte wurde durch Mischen des Basisvorläufers und des Katalysators in einem Gewichtsverhältnis von 10:1 hergestellt. Die Alginat-Tinte wurde durch Vorvernetzen einer 10 Gew./Vol.-%igen Alginatlösung (W201502, Sigma) mit einer 200 mM CaCl2-Lösung (C5670, Sigma) in einem Volumenverhältnis von 10:3 hergestellt. Die Hydroxylapatit-Alginat-Tinte bestand aus 15 Gew./Vol.-% Hydroxylapatit (21223, Sigma), dispergiert in einer 5 Gew./Vol.-%igen Alginatlösung, die dann mit einer 200 mM CaCl2-Lösung in einem Volumenverhältnis von 10:1 vorvernetzt wurde. Die PEGDA-Tinte wurde durch Mischen von PEGDA (Mn 700, 455008, Merck Life), entionisiertem Wasser und 10 Gew./Vol.-% Irgacure 2959 (g/100 ml Ethanol, 410869, Sigma) in einem Volumenverhältnis von 2:8:1 hergestellt. Ecoflex-Tinte (Smooth-On Inc.) wurde nach einer ähnlichen in der Literatur beschriebenen Formulierung34 hergestellt, wobei Teil A Ecoflex 00-30 mit Teil B Ecoflex 00-30 gemischt wurde (mit 1,2 Gew./Vol.-% Slo-jo und 1,2 Gew./Vol % Thivex) mit der Zugabe eines Tropfens hellorangefarbener Acryltinte zur Visualisierung. Die hier verwendeten unterstützenden Bäder waren 1,3 % Xanthangummi (G1253, Sigma), 1 Gew./Vol. % Carbopol ETD 2020 (Lubrizol), 4,5 Gew./Vol. % Gelatineaufschlämmung und 6 Gew./Vol. % Quarzstaub (S5130, Merck Life). Mineralöl (330760, Merck Life). Die Carbopol-, Gelatineaufschlämmungs- und Quarzstaub-Mineralöl-Unterstützungsbäder wurden gemäß den in früheren Studien beschriebenen Protokollen hergestellt35,36,37.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten. Der Code und die CAD-Designs der 3D-gedruckten Teile sind auf Github (https://github.com/iekmanlei/Printer.HM) und über Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5353394) verfügbar.

Capel, AJ, Rimington, RP, Lewis, MP & Christie, SDR 3D-Druck für chemische, pharmazeutische und biologische Anwendungen. Nat. Rev. Chem. 2, 422–436 (2018).

Artikel Google Scholar

Truby, RL & Lewis, JA Drucken weicher Materie in drei Dimensionen. Natur https://doi.org/10.1038/nature21003 (2016).

Artikel PubMed Google Scholar

Zhang, YS et al. 3D-Extrusions-Biodruck. Nat. Rev. Methods Primers 1, 1–20 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lei, IM et al. 3D-gedruckte biomimetische Cochleae und Co-Modellierung durch maschinelles Lernen bieten klinische Informatik für Cochlea-Implantat-Patienten. Nat. Komm. 12, 1–12 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Kang, DH et al. Hergestelltes, ganz geschnittenes, fleischähnliches Gewebe durch Zusammenfügen von Zellfasern mithilfe von Sehnen-Gel-integriertem Bioprinting. Nat. Komm. 12, 1–12 (2021).

Artikel Google Scholar

Mantihal, S., Kobun, R. & Lee, BB 3D-Lebensmitteldruck als die neue Art der Lebensmittelzubereitung: Ein Rückblick. Int. J. Gastron. Lebensmittelwissenschaft. 22, 100260 (2020).

Artikel Google Scholar

Daly, AC, Prendergast, ME, Hughes, AJ & Burdick, JA Bioprinting für den Biologen. Zelle 184, 18–32 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Ravanbakhsh, H. et al. Neue Technologien im Multimaterial-Bioprinting. Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.202104730 (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Sun, W. et al. Die Bioprinting-Roadmap. Biofabrikation https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab5158 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Skylar-Scott, MA, Mueller, J., Visser, CW & Lewis, JA Voxelierte weiche Materie durch Multimaterial-Multidüsen-3D-Druck. Natur https://doi.org/10.1038/s41586-019-1736-8 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Patel, BB et al. Einstellbare Strukturfarbe von Flaschenbürsten-Blockcopolymeren durch direktschreibenden 3D-Druck aus Lösung. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz7202 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sydney Gladman, A., Matsumoto, EA, Nuzzo, RG, Mahadevan, L. & Lewis, JA Biomimetischer 4D-Druck. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/nmat4544 (2016).

Artikel PubMed Google Scholar

Raney, JR et al. Rotations-3D-Druck schadenstoleranter Verbundwerkstoffe mit programmierbarer Mechanik. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA https://doi.org/10.1073/pnas.1715157115 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, Y., Yuk, H., Zhao, R., Chester, SA & Zhao, X. Drucken ferromagnetischer Domänen für ungebundene, sich schnell umwandelnde weiche Materialien. Natur https://doi.org/10.1038/s41586-018-0185-0 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Pusch, K., Hinton, TJ & Feinberg, AW Großvolumiger Spritzenpumpenextruder für Desktop-3D-Drucker. HardwareX https://doi.org/10.1016/j.ohx.2018.02.001 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Mirdamadi, E., Tashman, JW, Shiwarski, DJ, Palchesko, RN & Feinberg, AW FRESH 3D-Bioprinting eines lebensgroßen Modells des menschlichen Herzens. ACS Biomater. Wissenschaft. Ing. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01133 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Bessler, N. et al. Nydus One-Spritzen-Extruder (NOSE): Eine Prusa i3 3D-Drucker-Konvertierung für Bioprinting-Anwendungen unter Verwendung der FRESH-Methode. HardwareX https://doi.org/10.1016/j.ohx.2019.e00069 (2019).

Artikel Google Scholar

Engberg, A., Stelzl, C., Eriksson, O., O'Callaghan, P. & Kreuger, J. Ein Open-Source-Extrusions-Bioprinter, der auf dem E3D-Bewegungssystem und dem Werkzeugwechsler basiert, um FRESH- und Multimaterial-Bioprinting zu ermöglichen. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00931-1 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Garciamendez-Mijares, CE, Agrawal, P., Martínez, GG, Juarez, EC & Zhang, YS Hochmoderne, erschwingliche Biodrucker: Ein Leitfaden für die DiY-Community. Appl. Physik. Rev. 8, 031312 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shen, EM & McCloskey, KE Erschwingliches, hochauflösendes Bioprinting mit eingebetteten Konzentrationsgradienten. Bioprinting https://doi.org/10.1016/j.bprint.2020.e00113 (2021).

Artikel Google Scholar

Lin, S., Liu, J., Liu, X. & Zhao, X. Muskelähnliche, ermüdungsresistente Hydrogele durch mechanisches Training. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA https://doi.org/10.1073/pnas.1903019116 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Roh, S. et al. 3D-gedruckte weiche Silikonarchitekturen mit programmierter Magnetkapillar-Rekonfiguration. Adv. Mater. Technol. https://doi.org/10.1002/admt.201800528 (2019).

Artikel Google Scholar

Kim, JH et al. 3D-biogedruckte menschliche Skelettmuskelkonstrukte zur Wiederherstellung der Muskelfunktion. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-018-29968-5 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Ravi, P., Shiakolas, PS, Oberg, JC, Faizee, S. & Batra, AK Über die Entwicklung eines modularen 3D-Biodruckers für die Forschung in der Herstellung biomedizinischer Geräte. im ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings (IMECE) (2015). https://doi.org/10.1115/IMECE2015-51555

Athira, A. & Jiya, J. Selbstorganisierte Hydrogele: Ein Überblick (Springer, 2021). https://doi.org/10.1007/978-981-15-7138-1_14.

Buchen Sie Google Scholar

Zhang, YS & Khademhosseini, A. Fortschritte bei der Entwicklung von Hydrogelen. Science (1979) 356, eaf3627 (2017).

Google Scholar

Taylor, MJ, Tomlins, P. & Sahota, TS Thermoresponsive Gele. Gele 3, 4 (2017).

Artikel Google Scholar

Klouda, L. & Mikos, AG Thermoresponsive Hydrogele in biomedizinischen Anwendungen. EUR. J. Pharm. Biopharm. 68, 34–45 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Lam, C. et al. 3D-Druck von flüssigkristalliner Hydroxypropylcellulose für abstimmbare und nachhaltige volumetrische photonische Strukturen. Adv. Funktion. Mater. https://doi.org/10.1002/adfm.202108566 (2022).

Artikel Google Scholar

Vuksanović, JM, Kijevčanin, ML & Radović, IR Poly(ethylenglykol)diacrylat als neuartige chaotrope Verbindung für den Entwurf wässriger Zweiphasensysteme. J. Mol. Liq. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.04.023 (2018).

Artikel Google Scholar

Reid, JA et al. Zugängliches Bioprinting: Anpassung eines kostengünstigen 3D-Druckers für eine präzise Zellplatzierung und Stammzelldifferenzierung. Biofabrikation https://doi.org/10.1088/1758-5090/8/2/025017 (2016).

Artikel PubMed Google Scholar

Zhu, Z. et al. 3D-gedruckte funktionelle und biologische Materialien auf beweglichen Freiformflächen. Adv. Mater. https://doi.org/10.1002/adma.201707495 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Askari, M. et al. Jüngste Fortschritte beim extrudierten 3D-Biodruck von Hydrogel-Biomaterialien zur Geweberegeneration: Ein umfassender Überblick mit Schwerpunkt auf fortschrittlichen Herstellungstechniken. Biomaterial. Wissenschaft. https://doi.org/10.1039/d0bm00973c (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Wehner, M. et al. Eine integrierte Design- und Fertigungsstrategie für vollständig weiche, autonome Roboter. Natur https://doi.org/10.1038/nature19100 (2016).

Artikel PubMed Google Scholar

Hinton, TJ et al. Dreidimensionaler Druck komplexer biologischer Strukturen durch reversible Freiformeinbettung suspendierter Hydrogele. Wissenschaft. Adv. 1, e1500758–e1500758 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Bhattacharjee, T. et al. Schreiben im körnigen Gelmedium. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500655 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Jin, Y., Song, K., Gellermann, N. & Huang, Y. Drucken hydrophober Materialien in Quarzstaub-Nanopartikelsuspension. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen https://doi.org/10.1021/acsami.9b07433 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC-StG, 758865) und UKRI – EPSRC (EP/S009000/1) unterstützt. IML dankt dem WD Armstrong Trust und dem Macao Postgraduate Scholarship Fund für die finanzielle Unterstützung. CLL dankt der University of Macau für die Unterstützung durch ein UM Macao Fellowship und den Clarendon Scholarship Fund. YS dankt dem Chinese Scholarship Council für die finanzielle Unterstützung. Die Autoren danken Dr. Yang Cao für ihre Unterstützung beim Zellabgabeexperiment, Abby Thompson für ihre Hilfe beim 3D-Scanner, Ian Ganney für seine Hilfe bei den Bearbeitungsarbeiten sowie Dr. Clement Chun Lam Chan und Prof. Silvia Vignolini (Abteilung für Chemie, University of Cambridge) für die Bereitstellung der Methacrylat-Hydroxypropylcellulose-Lösung.

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Cambridge, Cambridge, Großbritannien

Iek Man Lei, Yaqi Sheng, Cillian Leow und Yan Yan Shery Huang

Das Nanoscience Centre, University of Cambridge, Cambridge, Großbritannien

Iek Man Lei, Yaqi Sheng und Yan Yan Shery Huang

Institut für Translationale Medizin, Fakultät für Gesundheitswissenschaften, Universität Macau, Macau, China

Chon Lok Lei

Institut für Informatik, Universität Oxford, Oxford, Großbritannien

Chon Lok Lei

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Alle Autoren konzipierten die Experimente und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Yan Yan Shery Huang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Zusatzvideo 2.

Zusatzvideo 3.

Zusatzvideo 4.

Zusatzvideo 5.

Zusatzvideo 6.

Zusatzvideo 7.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Lei, IM, Sheng, Y., Lei, CL et al. Ein hackbarer, multifunktionaler und modularer Extrusions-3D-Drucker für weiche Materialien. Sci Rep 12, 12294 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

Zitat herunterladen

Eingegangen: 15. März 2022

Angenommen: 04. Juli 2022

Veröffentlicht: 19. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16008-6

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Wissenschaftliche Berichte (2022)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Nachricht